液位儀表常用于過程控制中的液位檢測。近年來, 由于液位儀表精度和液位計量自動化要求的不斷提高, 使液位儀表廣泛應用于液位測量領域[1]。浮子式液位計因其精度高、環境適應性強、安裝方便等特點被廣泛應用于油庫、貨輪、造紙等行業[2]。

目前, 液位計常見的檢定是在實驗室環境下進行的, 短量程 (2 m以內) 的液位計一般采用水箱法檢定, 中長量程 (2 m以上) 的液位計一般采用比較法檢定。兩種檢定方法如下:

1) 水箱法[3]。檢定前, 用水平儀檢查主水箱底座及有機玻璃管支架是否水平。安裝待檢液位計并調整安裝精度, 進行正、反行程檢定, 進行逐點控制并讀數, 使檢定點均勻分布在被檢液位計整個測量范圍內, 直至液位升降到測量上下限。在示值檢定過程的同時, 調整電信號示值, 使之與其檢定值一一對應。

2) 比較法[4]。比較法是利用高一級別的長度計量儀器去檢定和校準液位計。高一級別的長度計量儀器通常選用高精度激光測距儀、雙頻激光干涉儀、光柵尺和磁柵尺等一系列高精度儀器。將被檢液位計拆卸之后, 運輸到高一級別的檢定單位 (省計量院、國家計量院) 對該液位計進行標定, 期間可能由于運輸、安裝等不確定因素對被檢液位計本身和其檢定結果造成一定的影響。

液位計現場安裝完成以后標注的是在實驗室安裝環境下的參數, 現場環境條件與實驗室環境條件差別較大, 液位計的安裝精度也很難達到實驗室內的要求, 而安裝后對液位計進行調試也只是確保量程上、下限的準確度, 未做過現場全量程的校準, 導致浮子式液位計在實際使用中出現計量不可靠的問題。針對此問題, 本文設計了一套浮子式液位計原位校準系統, 確保液位計安裝后的精度準確可靠。

浮子式液位計的結構如圖1所示, 液位計的傳感器工作時, 傳感器的電路部分將在波導絲上激勵出脈沖信號, 該信號沿波導絲傳播時會在波導絲的周圍產生脈沖磁場。在液位計的傳感器導桿外配有一浮子, 浮子可以沿導桿隨液位的變化而上下滑動。在浮子內部有一組永久磁鐵。當脈沖磁場與浮子產生的磁場相遇時, 浮子周圍的磁場發生改變使得由磁致伸縮材料做成的波導絲在浮子所在的位置產生一個扭轉波脈沖, 這個脈沖以固定的速度沿波導絲傳回并由超聲換能器檢出。通過測量脈沖信號與扭轉波的時間差可以精確地確定浮子所在的位置, 即液面的位置[5]。

為了方便攜帶和運輸, 一般6 m以上量程的液位計采用柔性軟纜材料, 6 m以內量程的液位計采用不銹鋼鋼管材料。浮子式液位計根據測量精度可分為毫米級和亞毫米級。

1) 系統精度設計。本文針對量程為0～6 m、精度為±1 mm的液位計進行校準。根據計量學理論, 標準裝置的精度應該高出被檢設備的0.3～1個數量級, 故校準裝置精度應不大于±0.3 mm, 長度計量儀器精度應不大于±0.1 mm。

2) 系統功能設計。由于系統對浮子式液位計進行現場校準, 且浮子式液位計多在油庫油罐等環境使用, 故所用儀器和裝置應具有便攜、安裝方便、操作簡單等特點和防爆等功能。根據現場測試環境, 系統采用提升裝置托舉浮子模擬浮子在液面的運動。

浮子上下滑動過程中, 因提升裝置制造誤差等原因, 頂板會發生傾斜, 故應補償頂板傾斜帶來的偏差。液面靜止時為水平面, 浮子隨液面上下運動, 運動軌跡為鉛垂線, 故浮子的移動距離應歸算至鉛垂線上。由于校準現場光線較暗, 還應考慮測距過程中儀器的精密照準問題。

系統硬件由精密測距儀、可平移基座、電子傾斜儀、提升裝置以及頂部裝置等組成, 如圖2所示。提升裝置有三個可調節支撐腳, 伸縮桿頂端安置圓水準器, 通過調節支撐腳螺桿將伸縮桿調至鉛垂方向。提升裝置一端連接頂板, 另一端設置配重, 頂板中間有凹槽, 凹槽可以放入液位計導桿中并托起浮子, 使浮子上下滑動。頂板下部安裝測距儀配套的棱鏡和攝像機, 上部安裝電子傾斜儀。棱鏡正下方安裝精密測距儀, 由于在測量過程中頂板會發生傾斜導致棱鏡發生一定的偏離, 故將測距儀置于可平移基座上, 確保測距儀可以精確地對準棱鏡中心。精密測距儀、電子傾斜儀和液位計通過TLINK控制器與計算機連接, 實現儀器的供電、指令的發送和數據的傳輸。

根據液位計原位校準的要求, 軟件劃分為5個模塊, 分別為工程屬性模塊、垂直度測量模塊、聯機測量模塊、數據解算模塊以及數據管理模塊。工程屬性模塊記錄液位計的型號、液位計的編號、測量時間、測量地點、測量人員和測量次數等基本信息。垂直度測量模塊利用全站儀獲取導桿中心點坐標, 通過最小二乘原理擬合導桿的空間軸線并計算其方程, 最終解算擬合軸線的直線度和垂直度[6]。聯機測量模塊對液位計、精密測距儀和電子傾斜儀進行聯機測量, 通過軟件向儀器發送指令, 對獲取的數據進行提取和預處理, 將數據存入數據庫。數據解算模塊主要對數據進行解算并輸出報表, 其中包括精密測距儀的垂線偏差, 頂板的傾斜偏差等, 最后通過多源數據的聯合解算, 得到液位計在不同量程范圍內的改正值。數據管理模塊是對原始數據和解算的結果進行查看和刪除操作。

液位計在現場安裝過程中, 由于加工誤差以及人為因素的影響會出現安裝誤差。如圖3所示, 液位計安裝完成以后, 液位計的導桿應與鉛垂線平行, 由于安裝誤差導致導桿與鉛垂線方向存在夾角θ, 待校準液位計量程為0～6 m、精度±1 mm, 根據誤差影響“忽略不計原則”, 液位計豎直時與液位計傾斜時量程差應不超過0.3 mm, 故計算夾角θ。

θ=arccos6000−0.36000≈0.57°.         (1)$\theta =\arccos \frac{6000–0.3}{6000}\approx 0.57°.(1)$

因此, 校準前應首先檢驗液位計的安裝精度, 若液位計垂直度超過0.57°, 則應對液位計重新進行安裝。

液位計導桿的截面一般為圓形, 導桿比較細長, 現場無法安裝全站儀的反射棱鏡和反射片, 因此利用全站儀的無棱鏡功能[7], 通過測量一些特征點計算出導桿圓心坐標。

如圖4所示, 距離導桿5 m左右架設全站儀Ti, 用全站儀十字絲的豎絲切準導桿的左邊沿, 得到水平角和天頂距角度分別為 (HzL, VL) , 保持垂直角不變, 切準導桿的右邊沿得到水平角和天頂距角度分別為 (HzR, VL) , 計算左右水平角的平均值HZ:

HZ=(HZL+HZR)/2.         (2)${\rm H}{}_{{\rm Z}}=({\rm H}{}_{{\rm Z}L}+{\rm H}{}_{{\rm Z}R})/2.(2)$

將全站儀定位于 (HZ, VL) 處, 啟用無合作目標測量, 得到方位角、天頂距和斜距 (HZ, VL, S) 。

計算得到導桿中心的點坐標Oi (xi, yi, zi) :

?????xi=(SsinVL+R)cosHZ,yi=(SsinVL+R)sinHZ,zi=ScosVL.         (3)$\{\begin{array}{l}x{}_i=(S\text{s}\text{i}\text{n}V{}_L+R)\cos {\rm H}{}_{{\rm Z}},\\ y{}_i=(S\text{s}\text{i}\text{n}V{}_L+R)\sin {\rm H}{}_{{\rm Z}},\\ z{}_i=S\text{c}\text{o}\text{s}V{}_L.\end{array}(3)$

式中:R為導桿的半徑。

為保證導桿垂直度的測量精度, 應盡可能觀測浮子式液位計導桿的全量程范圍, 最后將中心點坐標進行直線擬合, 根據直線方程計算出導桿的垂直度。

精密測距儀的精度選用雙頻激光干涉儀氣浮導軌實驗裝置檢定, 裝置的不確定度為:U=± (0.2 μm+4.6×10–7L) (L單位為m, K=3) 。因此, 可將干涉儀的測距值作為參考值。

如圖5所示, 將棱鏡中心與干涉儀的CCR角隅棱鏡中心放置在同一高度且位于干涉儀的測距軸線上。調整測距儀位置, 使其測距軸線與干涉儀的測距軸為同一條直線, 以減小阿貝誤差[8], 避免增加更多的誤差來源。

開始時, 小車置于測距儀端, 將干涉儀示值置零, 測距儀測量第一個點, 然后向干涉儀方向移動小車, 每隔0.5 m采集一次數據, 直至小車距離測距儀10.5 m處。將測距儀的相對移動值與干涉儀的參考值進行比對[9]。

實驗數據及處理結果如圖6所示, 經計算均方根誤差為RMS=0.14 mm, 測距儀的精度超出了系統要求。

從圖6中可以看出, 誤差期望值并不為零, 誤差的分布情況并不符合偶然誤差的特點。經過幾次重復實驗, 測量結果與第一次實驗數據差別不大。根據殘余誤差觀察法, 可以確定該測距儀存在系統誤差。通過最小二乘法對誤差進行線性擬合, 擬合直線的方程為:

y=0.01617x+0.02.         (4)$y=0.01617x+0.02.(4)$

式中:x為測距儀距離, m, y為改正值, mm。

經線性改正后的誤差分布如圖7所示, 改正后的均方根誤差為RMS=0.08 mm, 經線性改正后的精度達到0.1 mm的系統要求。

1) 測距軸線傾斜改正。浮子移動距離應歸算至鉛垂線上, 但測量時測距軸線與鉛垂線存在夾角, 故對測距值進行傾斜改正。如圖8所示。

從圖6中可以看出, 當測距儀軸線L與鉛垂線夾角為α時, 會導致液體深度H測量不準確, 即二者之間存在差值Δ, 其計算式:

Δ=L−H=L−Lcosα.         (5)$\text{Δ}=L–{\rm H}=L–L\text{c}\text{o}\text{s}\alpha .(5)$

式中:α可由精密測距儀內的電子傾斜儀測量得出。

2) 頂部裝置傾斜改正。由于提升裝置的加工誤差、伸縮桿不垂直等原因導致頂板發生傾斜, 引起測距值的偏差, 如圖9所示。

若傾斜前與傾斜后頂板之間的夾角為β, 根據棱鏡中心至浮子中心的距離D, 由下式可求得頂板傾斜偏差改正值γ。

γ=D×sinβ.         (6)$\gamma =D\times \sin \beta .(6)$

3) 實驗驗證及數據分析。由于實驗室內條件的限制, 本文對一個標稱精度為±1 mm、量程為3 m的液位計進行了實驗測試。實驗室內環境溫度為20 ℃, 導桿的垂直度為0.346°, 實驗數據如表1所示。

為了方便直觀判讀和分析, 將表1中的數據繪制折線圖如圖10所示。

1) 系統誤差的判別。用不同公式計算標準差比較法判斷測量數據是否存在系統誤差。

按照白塞爾[10]公式計算中誤差為:

σ1=∑i=1nv2in−1−−−−√.         (7)$\sigma {}_1=\sqrt{\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}v}{}_i^2}{n–1}}.(7)$

按別捷爾斯公式:

σ2=1.253∑i=1n|vi|n(n−1)√.         (8)$\sigma {}_2=1.253\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^n\left|v{}_i\right|}}{\sqrt{n(n–1)}}.(8)$

令σ2σ1=1+μ.         (9)若|μ|≥2n−1√.         (10)$\begin{array}{l}\text{令}\frac{\sigma {}_2}{\sigma {}_1}=1+\mu .(9)\\ \text{若}\left|\mu \right|\ge \frac{2}{\sqrt{n–1}}.(10)\end{array}$

則說明測量中存在系統誤差。

實驗數據中, n=14,2n−1√=0.55$n=14,\frac{2}{\sqrt{n–1}}=0.55$mm, 表2是對液位計系統誤差的分析結果。

2) 粗差的判別。在測量中, 粗差主要是由測量條件異常變化產生的誤差, 一般以異常值或孤值形式表現出來[11]。本文利用3σ (萊以特準則) 對粗差進行判斷和剔除[12]。表3是對實驗數據的粗差分析結果。

3) 精度分析。通過實驗數據分析得到, 粗差產生的原因是液位計讀數出現跳動引起的, 將第一次實驗數據的粗差剔除后重新計算均方根誤差為RMS=0.94 mm, 液位計測試精度滿足其標稱精度。通過對精度為±1 mm的浮子式液位計進行原位校準, 驗證了校準裝置的穩定性和可靠性。

由于條件有限, 本系統只是在室溫條件下進行的測試, 沒有在低溫和高溫條件下測試, 如果該系統用來測量高溫或低溫液體的液位, 性能需要進一步測試, 溫度的變化會對系統和液位計精度產生一定的影響[13]。

本文設計一套浮子式液位計原位校準系統, 分別對系統的硬件和軟件進行介紹, 并詳細論述系統的關鍵技術, 最后對系統進行實驗驗證和數據分析。系統選用精密測距儀作為標準器, 通過提升裝置帶動浮子模擬液位變化, 利用TLINK控制器與計算機進行數據交換, 由軟件進行數據采集、存儲、顯示、分析、比對, 自動完成對液位計的校準。該方法不僅減小人員和環境對液位計精度的影響, 而且降低原位校準的難度, 提高工作效率, 為浮子式液位計的原位校準提供一定的參考和借鑒意義。